JP5242148B2 - 走査型顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察対象の試料について観察画像を生成する走査型顕微鏡装置に関する。

従来、走査型顕微鏡として走査型共焦点顕微鏡が知られている。この走査型共焦点顕微鏡は、点状光源から得る光を試料の表面に点状に照明し、照明された試料表面からの透過光または反射光を再び点状に集約するとともに、ピンホール開口を介して光検出器に結像させ、この結像の濃度情報を光検出器で検出する。そして、点状照明を２次元走査することにより、試料の観察画像を得る。

点状照明を２次元走査する場合、例えば、Ｘ方向への走査には、ガルバノミラーやレゾナントスキャナが用いられる。また、Ｙ方向への走査には、ガルバノミラーが用いられる。これらのスキャナの制御回路は、光検出器で生成する画像検出信号から観察画像（画像データ）を生成するために、スキャナの走査に同期して画像生成用の同期信号を生成する。

以下、スキャナが２次元走査する点状照明の任意の位置を「光学的走査位置」という。また、スキャナが生成する同期信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像の位置を「電気的サンプリング位置」という。

ここで、スキャナの制御回路が、光学的走査位置を決めるスキャナ駆動信号と、電気的サンプリング位置を決める画像生成用の同期信号と、を同じタイミングで出力すると、実際にはスキャナの動作遅れや電気回路系の時間遅れなどが存在するため、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とにずれが生じる場合がある。

また、光学的走査位置と電気的サンプリング位置は、温度変化等によって変化するので、両位置が一致するように調整しても、その後の温度変化等により両位置にずれが生じる場合がある。

その結果、観察画像の中心位置にずれが生じたり、観察画像の一部または全体に歪みが生じるなどして観察画像が画像劣化する場合があった。
特許文献１には、Ｘスキャナの中心位置を検出する手段を設け、この検出信号と電気的サンプリング中心位置を１ライン毎に検出し、このずれ量により走査信号の位相を補正して、位置のずれを補正する補正方法について開示されている。

また、特許文献２には、温度変化の問題を回避するために、温度毎にあらかじめ補正値を設定し、温度センサにより検出した温度変化を位相シフト量とすることで位相を補正し、光学的走査位置と電気的サンプリング位置を合わせる補正方法について開示されている。

しかし、特許文献１に開示されている補正方法は、画像表示中、１ライン走査毎に光学的走査範囲の中心位置と電気的サンプリング範囲の中心位置を検出し、両位置のずれ量に応じて１ライン毎に走査信号の位相を補正する。そのため、画像表示中のどの位置から補正効果が現れるかわからず、取得画面内の途中から補正効果が現れた場合、画面内の途中から表示画素範囲が左右にずれるということが起こる。このずれが生じた画像は測定、観察に使用できない無駄な画像となってしまう。

また、特許文献２に開示されている補正方法は、温度ドリフト量には個体差があるため、個体差を考慮した信頼性のある補正値を用意することは難しい。
特開２０００−０３９５６０号公報 特開２００３−２７０５６２号公報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得ることができる走査型顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために、本走査型顕微鏡装置は、試料に対して集束光を照射して得る反射光から観察画像を生成する走査型顕微鏡装置において、前記試料に対して照射する集束光を、該集束光の光路に直交する平面上に対して２次元的に走査させる２次元走査手段と、前記反射光を検出し、該検出した反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する光検出手段と、該画像検出信号を所定のサンプリングクロック信号に合わせてサンプリングし、前記試料の観察画像を生成する観察画像生成手段と、前記２次元走査手段が走査する前記集束光の位置であって、該２次元走査手段が行なう２次元走査範囲の中心位置である光学的走査位置を検出し、光学的走査位置信号を生成する光学的走査位置検出手段と、前記サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出し、電気的サンプリング位置信号を生成する電気的サンプリング位置検出手段とを含み、前記光学的走査位置信号と前記電気的サンプリング位置信号とが一致するように少なくとも１つの前記観察画像を生成する毎に１度だけ前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、を備える。

本発明によると、観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得ることができる走査型顕微鏡を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図１４に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡装置１００の構成例を示す図である。

図１に示す共焦点レーザ走査型顕微鏡装置１００は、観察対象である試料１３０に対してレーザ光を照射して得る反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する顕微鏡本体１０１と、この画像検出信号について画像化処理を行なって観察画像を生成するコンピュータ１０２と、コンピュータ１０２から出力される観察画像を表示するモニタ１０３と、を備える。

顕微鏡本体１０１は、レーザ光源１１０、ミラー１１１、ハーフミラー１１２、２次元走査機構１１３、２次元走査駆動制御回路１１４、ハーフミラー１１５、対物レンズ１１６、ステージ１１７、レボルバ１１８、光学的位置検出部１１９、レンズ１２０、ピンホール板１２１、光検出器１２２および焦点移動機構１２３、を備える。

レーザ光源１１０は、スポット光としてのレーザ光を発生する光源である。
２次元走査機構１１３は、ミラー１１１を介して得たレーザ光源１１０からのレーザ光を２次元走査する機構である。本実施例に係る２次元走査機構１１３は、Ｘ方向走査用のレゾナントスキャナと、Ｙ軸方向走査用のガルバノスキャナと、を組み合わせた２軸のスキャナで構成されている。ただし、この構成に限定するものではない。例えば、２次元走査機構１１３は、Ｘ方向走査用のスキャナとＹ方向の走査用のスキャナとが独立した構成でもよいし、Ｘ方向走査用にガルバノスキャナを用いてもよい。

２次元走査駆動制御回路１１４は、２次元走査機構１１３を制御してスポット光の光路を走査する。例えば、上述したスキャナをＸ方向、Ｙ方向に駆動させて、スポット光の光路を２次元走査する。

この時、２次元走査駆動制御回路１１４は、Ｘスキャナを動作させるＸスキャナ同期信号を２次元走査機構１１３に備わるＸスキャナに出力するとともに、このＸスキャナ同期信号に同期して、光検出器１２２が生成する画像検出信号をサンプリングして観察画像を生成するために使用するサンプリングクロック信号（ＳＣＬＫ）を生成してコンピュータ１０２に出力する。

ここで、サンプリングクロック信号には、観察画像を得るための走査を行なう往路に使用するサンプリングクロック信号と、走査開始位置にＸスキャナを戻す復路に使用するサンプリングクロック信号と、が含まれる。例えば、ＸスキャナをＸ方向に１０２４画素分だけ走査させた場合、サンプリングクロック信号には、１０２４画素分の往路用サンプリングクロックと、１０２４画素分の復路用サンプリングクロックが含まれる。

そこで、２次元走査駆動制御回路１１４、Ｘスキャナが観察画像を得るための走査を行なう往路にあるか、走査開始位置にＸスキャナを戻す復路にあるかを示す信号（以下、「Ｘ方向画像有効信号（ＸＤＥ）」を生成し、コンピュータ１０２に出力する。

また、２次元走査駆動制御回路１１４は、２次元走査機構１１３によるＸスキャナの走査を監視し、Ｘ方向への走査が１ライン完了する毎に、ＹスキャナをＹ方向へ１画素分駆動させるＹスキャナ同期信号を２次元走査機構１１３に出力する。

この時、２次元走査駆動制御回路１１４は、Ｙスキャナが観察画像を得るための走査を行なう範囲にあるか、それ以外の範囲にあるか、を示す信号（以下、「Ｙ方向画像有効信号（ＹＤＥ）」という）を生成し、コンピュータ１０３に出力する。

本実施例では、２次元走査によりスポット光が照射される試料１３０上の任意のＸＹ座標位置であって、２次元走査駆動制御回路１１４が駆動するスキャナの位置で決まるスポット光のＸＹ座標位置を「光学的走査位置」という。また、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像のＸＹ座標位置を「電気的サンプリング位置」という。

レボルバ１１８は、倍率の異なる対物レンズ１１６を複数備える。このレボルバ１１８を切替えることにより、所望の倍率を持つ対物レンズ１１６がスポット光の光路に設置される。

光学的位置検出部１１９は、２次元走査される範囲（以下、「２次元走査範囲」という）における所望の光学的走査位置を検出する。本実施例では、後述するように、２次元走査範囲の中心位置を検出する。

ピンホール板１２１は、所要の径のピンホールを有し、光検出器１２２の受光面の前面に位置するレンズ１２０の焦点位置にピンホールが位置するように設置されている。
レーザ光源１１０から射出されたレーザ光は、ミラー１１１で反射し、ハーフミラー１１２を透過して２次元走査機構１１３に入射される。そして、２次元走査機構１１３により２次元走査される。

ここで、２次元走査機構１１３は、２次元走査駆動制御回路１１４からの指示に応じて、自身が備える図示しないＸスキャナおよびＹスキャナを駆動して２次元走査処理を行なう。この時、２次元走査機構１１３は、ＸスキャナをＸ方向に１往復走査すると、Ｙスキャナを１ライン分だけＹ方向に駆動させる処理を繰り返して２次元走査を行なう。

例えば、縦×横が１０２４×１０２４画素の観察画像を取得する場合、Ｙ方向に１０２４ライン駆動したところで１画面分の２次元走査が完了する。その後、Ｙスキャナは初期位置に戻り、同じ動作を繰り返す。

２次元走査機構１１３から射出されたレーザ光は、半透明鏡であるハーフミラー１１５に一部反射し、一部透過する。反射したスポット光は、対物レンズ１１６を介してステージ１１７上に保持された試料１３０上に照射される。また、透過したスポット光は、光学的位置検出部１１９に照射される。

試料１３０からの反射光は、対物レンズ１１６、２次元走査機構１１３を介して半透明鏡であるハーフミラー１１２に照射される。さらに、当該反射光は、ハーフミラー１１２を反射してレンズ１２０に入射する。そして、当該反射光は、レンズ１２０で集光され、ピンホール板１２１に入射する。

ピンホール板１２１を介して得られる光は、光検出器１２２により画像検出信号に変換され、コンピュータ１０２に出力される。
コンピュータ１０２は、この画像検出信号と、２次元走査駆動制御回路１１４が出力するＸ方向画像有効信号およびＹ方向画像有効信号と、から観察画像を生成し、モニタ１０３に出力する。その結果、モニタ１０３上に試料１３０の観察画像が表示される。

図２は、本実施例に係る光学的位置検出部１１９の構成例を示す図である。
本実施例に係る光学的位置検出部１１９は、光を集光するレンズ２０１と、所要の径のピンホールを有するピンホール板２０２と、ピンホール板２０２を通過する光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器２０３と、検出信号を一定のレベルに増幅するアンプ２０４と、を備える。

２次元走査機構１１３により２次元走査され、ハーフミラー１１５を透過したスポット光（以下、「透過光」という）は、レンズ２０１に入射し集光される。そして、透過光は、レンズ２０１の集光位置に配置されたピンホール板２０２を通過して光検出器２０３に入射する。

ピンホール板２０２は、２次元走査範囲内の所望の位置（本実施例では、２次元走査範囲の中心位置）以外の光を遮断する。また、光検出器２０３はフォトダイオード等で構成される一般的な光検出器である。

ピンホール板２０２があることにより、光検出器２０３は、２次元走査される透過光のうち、２次元走査範囲内の所望の位置に入射する光のみ検出する。すなわち、光検出器２０３は、２次元走査されるスポット光が２次元走査範囲の所望の光学的走査位置にあることを検出する。そして、光検出器２０３は、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。出力された検出信号は、アンプ２０４に入力されて一定レベルに増幅されるとともに、波形成形されて２次元走査駆動制御回路１１４に出力される。この時の信号を「光学的位置検出信号」という。

例えば、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ１０２４画素、１０２４ライン走査して観察画像を取得する場合、５１２ライン目の５１２番目の画素の走査位置に透過光が入射された時に、光学的位置検出部１１９は光学的位置検出信号を生成して２次元走査駆動制御回路１１４に出力する。

なお、光学的位置検出部１１９は、図２に示した構成に限定されないのは当然である。
図３は、本実施例に係る電気的サンプリング回路３００の構成例を示す図である。
入力信号生成部３０１は、Ｘスキャナの駆動速度０のタイミングを示すスキャナ同期信号を受けると、当該スキャナ同期信号から入力信号（正弦波信号）を生成する。入力信号生成部３０１には、例えば、バンドパスフィルタのようなアナログ回路を使用すればよい。

なお、図４に示すように、スキャナ同期信号４０２は、Ｘスキャナのスキャナ駆動信号４０１に同期して生成されるタイミング信号であり、Ｘスキャナ１往復を１周期とする方形波となっている。

移相回路３０２は、後述する誤差信号発生部３１２からの信号に応じて、入力信号生成部３０１から入力される入力信号の位相を変化させる。移相回路３０２は、例えば、オールパスフィルタなどのアナログ回路を使用すればよい。

位置帰還部３０３は、移相回路３０２からの出力信号と、後述するＤ／Ａコンバータ３０７からの出力信号と、の差分信号を生成して絶対値回路部３０４に出力する。
絶対値回路部３０４は、位置帰還部３０３からの出力信号を全波整流する回路である。絶対値回路部３０４は、全波整流した信号をＶＣＯ３０５に出力する。

ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）３０５は、電圧−周波数変換を行なう回路である。絶対値回路部３０４からの出力信号に比例した周波数のクロック信号を出力する（このクロック信号を「サンプリングクロック信号」という）。このサンプリングクロック信号は、コンピュータ１０２に出力される。

コンピュータ１０２は、Ｘ方向画像有効信号およびＹ方向画像有効信号にしたがって、サンプリングクロック信号を用いて画像検出信号をサンプリングし、観察画像を生成する。例えば、１クロック毎に観察画像１画素分の画像データのサンプリングが行なわれる。Ｘ方向が１０２４画素の観察画像では、１０２４クロックでＸ方向の１ライン分が画像化される。

カウンタ３０６は、ＶＣＯ３０５が出力するサンプリングクロック信号をカウントし、このカウント値（以下、「Ｘカウント値」という）からＹ方向のライン数をカウントする回路である（以下、このカウント値を「Ｙカウント値」という）。例えば、Ｘ方向が１０２４画素の観察画像の場合、カウンタ３０６は、サンプリングクロック信号をカウントし、１０２４クロック毎に１ライン、２ラインとＹカウント値のカウントアップを行なう。

そして、カウンタ３０６は、１ライン毎にタイミング信号（以下、「第１のタイミング信号」という）を生成して位相比較器３０９に出力する。また、カウンタ３０６は、Ｘ方向画像有効信号を生成し、Ｘ方向画像有効信号をコンピュータ１０２に出力する。

また、カウンタ３０６は、Ｘカウント値とＹカウント値を監視し、所望のＸカウント値およびＹカウント値を検出すると、検出信号を位相比較器３１１に出力する。この検出信号を「電気的サンプリング位置信号」という。

本実施例に係るカウンタ３０６は、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像の中心位置を示す電気的サンプリング位置信号を生成する。

例えば、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ１０２４画素、１０２４ライン走査して観察画像を取得する場合、Ｘカウント値が５１２かつＹカウント値が５１２の時に、カウンタ３０６は電気的サンプリング位置信号を出力する。

なお、電気的サンプリング位置は、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、光学的走査位置における反射光から得る像と一致する位置であれば中心位置に限らない。

Ｄ／Ａコンバータ３０７は、Ｙカウント値に応じた電圧の信号を生成する。そして、Ｄ／Ａコンバータ３０７は、当該信号を位置帰還部３０３に出力する。上述のように、位置帰還部３０３では、移相回路３０２からの出力信号とＤ／Ａコンバータ３０７からの出力信号との差分をとることで、ＶＣＯ３０５の非線形性や指示値に対する誤差分を補正することができる。

コンパレータ３０８は、位置帰還部３０３からの出力信号を、電圧０Ｖと比較し、当該出力信号が０Ｖとなるタイミングでタイミング信号（以下、「第２のタイミング信号」という）を生成し、当該第２のタイミング信号を位相比較器３０９に出力する。

位相比較器３０９は、カウンタ３０６が出力する第１のタイミング信号と、コンパレータ３０８が出力する第２のタイミング信号と、の位相比較を行なう。そして、位相比較器３０９は、比較の結果得られる信号をループフィルタ３１０を介して入力信号生成部３０１に出力し、入力信号のゲイン調整を行なう。第１のタイミング信号と第２のタイミング信号とが一致したところで、入力信号の振幅が一定となる。これにより、Ｘ方向へのスキャン１ラインに同期してサンプリングクロック信号を規定回数発生させることができ、動作点も安定する。

位相比較器３１１は、光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号とを位相比較し、比較の結果得られる位相比較結果信号を誤差信号発生部３１２に出力する。位相比較器３１１は、例えば、ＦＦ（フリップフロップ）などで構成することができる。

誤差信号発生部３１２は、位相比較器３１１が生成した位相比較結果信号を、移相回路３０２に誤差補正量として出力する。移相回路３０２にフィルタ定数を決める抵抗を変化させるポテンションメータ等を備える場合、ポテンションメータ等に当該位相比較結果信号を出力してフィルタ定数を調整すればよい。

以上に説明したように、電気的サンプリング回路３００は、入力信号生成部３０１に入力されるＸスキャナのスキャナ同期信号に同期して、サンプリングクロック信号を生成する。そして、コンピュータ１０２に出力する。

以上の構成において、例えば、２次元走査手段は、２次元走査機構１１３および２次元走査駆動制御回路１１４で実現できる。また、光検出手段は、光検出器１２２で実現できる。また、観察画像生成手段は、コンピュータ１０２で実現できる。また、光学的走査位置検出手段は、光学的位置検出信号１１９で実現できる。また、電気的サンプリング位置検出手段は、カウンタ３０６で実現できる。また、位置調整手段は、電気的サンプリング回路３００で実現できる。

図５は、本実施例に係る電気的サンプリング回路３００の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
図５には、光学的位置検出部１１９が出力する光学的走査位置信号と、カウンタ３０６が出力する電気的サンプリング位置信号と、位相比較器３１１が出力する光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号との位相比較結果である位相比較結果信号と、所定の周波数を有する基準クロック信号と、誤差信号発生部３１２が出力する誤差出力信号と、を示している。

光学的位置検出部１１９が出力する光学的走査位置信号は、位相比較器３１１に入力される。また、カウンタ３０６が出力する電気的サンプリング位置信号も、位相比較器３１１に入力される。

位相比較器３１１は、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号を入力とし、図に示す位相比較結果信号を出力する。例えば、位相比較器３１１がＦＦ（フリップフロップ）などで構成されている場合、図のように、光学的位置検出信号が入力されるとセットされてＨｉｇｈ信号を出力し、電気的サンプリング位置信号が入力されるとリセットされてＬｏｗ信号を出力する。

誤差信号発生部３１２は、位相比較結果信号と基準クロック信号とを入力とし、図に示す誤差出力信号を出力する。例えば、誤差信号発生部３１２を論理積回路などで構成することにより、位相比較結果信号がＨｉｇｈである間の基準クロック信号を得る。そして、誤差信号発生部３１２は、誤差出力信号を移相回路３０２に出力する。上述したように、移相回路３０２は、誤差出力信号に応じて、入力信号の位相を変化させることとなる。

以上のようにフィードバック制御が行なわれるので、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致（例えば、両信号の位相差が１クロック以下）した状態で安定する。

例えば、２次元走査機構１１３などで生じるスキャナ駆動信号に対するＸスキャナの動作遅延（以下、単に「動作遅延」という）や、２次元走査駆動制御回路１１４や光学的位置検出部１１９等の電気回路で生じる電気的遅延（以下、単に「電気的遅延」という）により、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とに位相差が生じた場合でも、上述のフィードバック制御が働くので、常に、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致の状態で安定させることが可能となる。

すなわち、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを常に一致させた状態で観察画像を生成することが可能となる。
また、温度変化等により動作遅延や電気的遅延が変動しても、上述のフィードバック制御により、常に光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致の状態に安定させることが可能となる。

その結果、常に、所定の光学的走査位置から画像検出信号のサンプリングを行なうことが可能となるので、コンピュータ１０２で生成する観察画像の劣化を防止することが可能となる。

電気的サンプリング回路３００は、常に、Ｘスキャナのスキャナ駆動信号に同期して動作するので、当該スキャナ駆動信号に近い周期で上述のフィードバック制御による補正を行なうと、動作が不安定になる場合があるが、本実施例では、２次元走査範囲の中心位置を光学的位置検出部１１９が検出した時だけ、すなわち、１回の２次元走査に１度だけ、つまり、１回の２次元走査により観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正が行なわれるので、電気的サンプリング回路３００を安定して動作させることができる。

なお、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とに生じる誤差は、温度変化や個体差（製造時のバラツキなど）が主な原因であるため、１回の２次元走査に１度だけ補正を行なえば十分である。

以上に説明したように、本実施例によれば、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを自動で調整することが可能となる。さらに、スキャナの駆動パターンやズーム、温度変化、経時変化に影響されることなく、常に、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを一致させた状態にすることが可能となる。

その結果、光学的走査位置に対して電気的サンプリング位置がずれることで生じる観察画像の歪みが補正されるので、画質劣化のない良質な観察画像を得ることが可能となる。
なお、１回の２次元走査に１度だけ、つまり、１回の２次元走査により観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正を行うようにしたが、複数回の２次元走査により複数の観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正を行うようにしてもよい。

また、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡１００は、光源や光学素子などを新たに追加する必要がないので、その分構成をシンプルに構成することができる。さらに、従来使用することがなかった光を有効に活用しているので、光学的位置検出部１１９のためにレーザ光源１１０の強度を上げることなく、良質な観察画像を得ることが可能となる。

なお、本実施例に係る光学的位置検出部１１９は、２次元走査範囲の中心位置を検出したときに光学的位置検出信号を出力したが、これに限定する趣旨ではない。例えば、必要に応じて、２次元走査範囲の任意の位置を検出したときに光学的位置検出信号を出力するようにしてもよい。

また、光学的位置検出部１１９は、図２に示した構成に限定するものではない。他の従来技術で光学的位置検出部１１９を構成して、光学的走査位置を検出してもよい。また、光学的位置検出部１１９は、図１に示した位置に限定するものではなく、必要に応じて、図１に示した位置以外の位置に配置してもよいのは当然である。

なお、図３には、アナログ回路で構成した電気的サンプリング回路３００の構成例を示したが、入力信号生成部３０１および移相回路３０２には、例えば、図６に示すように一部にデジタル回路を使用してもよい。

図６は、本実施例に係る入力信号生成部３０１および移相回路３０２のデジタル回路（以下、「入力信号発生回路６００」という）で実現する場合の構成例を示す図である。
図６に示す入力信号発生回路６００は、位相比較を行なう位相比較器６０１と、比較結果から一定の信号を抽出するループフィルタ６０２と、ループフィルタ６０２の出力信号に応じて周波数を変化させたクロック信号を出力するＶＣＯ６０３と、一定期間のクロック信号をカウントするアドレスカウンタ６０４と、図６に示す正弦波データａを記憶したＲＯＭ６０５と、デジタル−アナログ変換を行なうＤ／Ａコンバータ６０６と、を備える。

電気的サンプリング回路３００に電源が投入されると、ＶＣＯ６０３が自走し、所定の周波数のクロック信号を出力する。アドレスカウンタ６０４は、一定期間毎に当該クロック信号をカウントする。この時、アドレスカウンタ６０４は、カウントして得られる値（以下、「アドレス値」という）が所定のカウント値（以下、「アドレスコンパレータ値」という）になると、タイミング信号を生成し、位相比較器６０１に出力する。

位相比較器６０１は、スキャナ同期信号と、アドレスカウンタ６０４からのタイミング信号と、を比較し、比較結果をループフィルタ６０２を介してＶＣＯ６０３に出力する。
以上の処理が繰り返されると、アドレスカウンタ６０４が生成するタイミング信号とスキャナ同期信号とが同期したところで入力信号発生回路６００が安定して動作する。

アドレスカウンタ６０４は、アドレスカウンタ６０４が出力するアドレス値に対応するＲＯＭデータ値を読み出してＤ／Ａコンバータ６０６に出力する。Ｄ／Ａコンバータ６０６は、ＲＯＭデータ値に応じた電圧値の信号を出力する。その結果、Ｄ／Ａコンバータ６０６からＲＯＭ６０５にあらかじめ記憶された正弦波の信号が、スキャナ同期信号に同期して位置帰還部３０３に出力される。

また、アドレスカウンタ６０４には、誤差信号発生部３１２から位相比較結果信号が入力される。アドレスカウンタ６０４が、位相比較結果信号に応じてアドレスコンパレータ値を調整することにより、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致の状態で安定する。

また、Ｄ／Ａコンバータ６０６には、位相比較器３０９による第１のタイミング信号と第２のタイミング信号との位相比較の結果がループフィルタ３１０を介して入力される。この制御量を用いてＤ／Ａコンバータ６０６のゲイン調整を行なうことにより、入力信号発生回路６００が出力する正弦波の振幅が制御される。すなわち、第１のタイミング信号と第２のタイミング信号とが同期し、位相比較器３０９からＤ／Ａコンバータ６０６への出力が一定となるように制御される。
（第２の実施例）
本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成は、図１に示した共焦点レーザ走査型顕微鏡１００の構成例と同様なので説明を省略する。ただし、２次元走査駆動制御回路１１４は、２次元走査範囲におけるＹ方向の中心位置（以下、「中心ライン」という）を検出し、当該中心ラインを検出するとパルス信号を出力するものとする。この場合、例えば、２次元走査駆動制御回路１１４は、Ｙ方向画像有効信号をカウントし、中心ラインまでカウントしたらパルス信号（以下、このパルス信号を「マスク信号」という）を生成すればよい。

以下、第１の実施例と異なる構成について説明する。
図７は、本実施例に係る電気的サンプリング回路７００の構成例を示す図である。
本実施例に係る電気的サンプリング回路７００は、２次元走査駆動制御回路１１４からのマスク信号を入力とする位相比較器７０１を備える。

本実施例に係る位相比較器７０１は、光学的走査位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、を位相比較する。そして、比較の結果得られる位相比較結果信号を誤差信号発生部３１２に出力する。

例えば、位相比較器７０１は、光学的走査位置信号とマスク信号とを入力とする第１の論理積回路と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とを入力とする第２の論理積回路と、第１の論理積回路の出力信号と第２の論理積回路の出力信号とを入力とする位相比較器３１１と、で構成することができる。

なお、位相比較器７０１は、光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号とを位相比較し、比較の結果得られる位相比較結果信号とマスク信号とをＡＮＤした信号を誤差信号発生部３１２に出力するようにしてもよい。

この場合、例えば、位相比較器７０１は、位相比較器３１１と、位相比較器３１１が出力する位相比較結果信号とマスク信号とを入力とする論理積回路と、で構成することができる。

ここで、光学的位置検出部１１９から図８に示す光学的位置検出信号ａが得られることが理想であるが、ピンホール板２０２の径の大きさによっては、図８に示すような複数のパルス信号からなる光学的位置検出信号ｂを光検出器２０３が検出される。この場合、光学的位置検出部１１９からは光学的位置検出信号ｃが出力される。

また、図９に示すように、１回の２次元走査処理で光学的位置検出信号が２回生成されてしまう場合がある。
例えば、Ｙスキャナは、２次元走査範囲の開始位置（１）から２次元走査を開始すると、Ｙ方向に１ラインずつ駆動を行なう。そして、中心ラインを通過する。この時、光学的位置検出部１１９は、理想的には光学的走査位置信号ａを生成する。しかし、上述のように、ピンホール板２０２の径の大きさによって、光学的走査位置信号ｃを生成する。

さらにＹ方向に１ラインずつ駆動すると、Ｙスキャナは、２次元走査範囲の終了位置（２）まで到達する（この期間を「走査期間」という）。１画面分の２次元走査が終了すると、Ｙスキャナは、２次元走査範囲の開始位置（１）まで戻る必要があるので、走査方向とは逆の方向に駆動を開始して開始位置（１）まで移動する（この期間を「帰線期間」という）。この帰線期間においても、中心ラインを通過するため、光学的位置検出部１１９は光学的走査位置信号ｃ’を生成する。

したがって、走査期間と帰線期間とでそれぞれ光学的走査位置信号が生成されることとなる。
本実施例では、２次元走査駆動制御回路１１４が、走査期間における中心ラインを検出するとマスク信号を生成し、生成したマスク信号を位相比較器７０１に出力する。そして、位相比較器７０１が、光学的走査位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、を位相比較するので、走査期間に生成された光学的位置検出信号（電気的サンプリング位置信号）のみを使用することができる。

図１０は、本実施例に係る電気的サンプリング回路７００の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
図１０には、光学的位置検出部１１９が出力する光学的走査位置信号と、カウンタ３０６が出力する電気的サンプリング位置信号と、２次元走査駆動制御回路１１４が出力するマスク信号と、位相比較器７０１が出力する光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号との位相比較結果である位相比較結果信号と、所定の周波数を有する基準クロック信号と、誤差信号発生部３１２が出力する誤差出力信号と、を示している。

光学的位置検出部１１９が出力する光学的走査位置信号は、位相比較器７０１に入力される。また、カウンタ３０６が出力する電気的サンプリング位置信号も、位相比較器７０１に入力される。

位相比較器７０１は、光学的走査位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをＡＮＤした信号と、を位相比較して位相比較結果信号を出力する。

誤差信号発生部３１２は、位相比較結果信号と基準クロック信号とを入力とし、図に示す誤差出力信号を出力する。例えば、誤差信号発生部３１２を論理積回路などで構成することにより、位相比較結果信号がＨｉｇｈである間の基準クロック信号を得る。そして、誤差信号発生部３１２は、誤差出力信号を移相回路３０２に出力する。上述したように、移相回路３０２は、誤差出力信号に応じて、入力信号の位相を変化させることとなる。

以上のように、位相比較器７０１は、複数の光学的位置検出信号が生成される場合でも、マスク信号がＨｉｇｈの時のみ、位相比較結果信号を出力するので、２次元走査範囲の中心以外の信号を除去することが可能となる。

また、光学的位置検出信号は一定の幅を持つパルス信号であるので、パルス信号のエッジが中心位置からずれる場合がある。この場合、カウンタ３０６がカウントを開始する初期値を可変にして第１のタイミング信号を調整可能にしてもよい。これにより、光学的走査位置の中心位置と電気的サンプリング位置の中心位置とを容易に調整することが可能となる。

その結果、光学的位置検出部１１９の構成を簡単化することができ、手動による煩雑な調整をすることなく光学的位置検出を行なうことが可能となる。
また、第１の実施例と同様に、温度変化等により動作遅延や電気的遅延が変動しても、上述のフィードバック制御により、常に、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致した状態で安定させることが可能となる。

その結果、常に、所定の光学的走査位置から画像検出信号のサンプリングを行なうことが可能となるので、コンピュータ１０２で生成する観察画像の劣化を防止することが可能となる。
（第３の実施例）
本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成は、図１に示した共焦点レーザ走査型顕微鏡１００の構成例と同様なので説明を省略する。

以下、第２の実施例と異なる構成について説明する。
図１１は、本実施例に係る電気的サンプリング回路１１００の構成例を示す図である。
本実施例に係る電気的サンプリング回路１１００は、２次元走査駆動制御回路１１４からのＹ方向画像有効信号を入力とする誤差信号発生部１１０１を備える。

誤差信号発生部１１０１は、位相比較器７０１からの位相比較結果信号をカウントし、Ｙ方向画像有効信号がＨｉｇｈになると、当該カウント値をアドレスカウンタ６０４に出力する。

この場合、例えば、誤差信号発生部１１０１は、位相比較結果信号をカウントするカウンタと、当該カウンタからの出力とＹ方向画像有効信号とを入力とする論理積回路と、で構成することができる。

ここで、図９に示したように、Ｙスキャナは、画像を有効に走査する走査期間と、画像を走査しない帰線期間と、を有する。しかし、図１２に示すように、走査期間は、走査開始時と走査終了時とに画像を有効に走査できない画像無効期間を有する場合がある。

そこで、本実施例に係る２次元走査駆動制御回路１１４は、図１２に示すように、画像を有効に走査できる画像有効期間がＬｏｗレベルとなるＹ方向画像有効信号を生成し、誤差信号発生部１１０１に出力する。

例えば、図１３に示すように、誤差信号発生部１１０１は、自身に備わるカウンタにより誤差出力信号をカウントする。すると、カウント値は誤差出力信号に含まれるクロックだけカウントアップされる。例えば、誤差出力信号にａだけクロックが含まれる場合、カウンタの初期値をＮとすると、カウンタ値はＮからＮ＋ａとなる。

ここで、誤差信号発生部１１０１は、誤差出力信号のカウントが完了しても、Ｙ方向画像有効信号がＨｉｇｈにならないので当該カウント値を出力しない。そして、Ｙ方向画像有効信号がＬｏｗからＨｉｇｈになると、アドレスカウンタ６０４にカウント値を出力し、アドレスコンパレータ値がＮからＮ＋ａになる。

以上に説明したように、誤差信号発生部１１０１は、Ｙ方向画像有効信号に応じて、画像有効期間以外の期間（画像無効期間または帰線期間）に誤差出力信号を出力するので、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号との位相差の補正は、画像有効期間以外の期間に行なわれる。その結果、当該位相差の補正は、次回の２次元走査時から反映される。

例えば、光学的走査位置が中心ラインの時に誤差出力信号がアドレスカウンタ６０４に出力されると２次元走査範囲の中心位置（すなわち、観察画像の中心位置）以後の走査処理から当該位相差の補正が行なわれて観察画像の中心位置に歪み等が生じることを防止でき、測定や観察に使用できない観察画像が生成されることを防止できる。

以上に説明した実施例に係る光学的位置検出部１１９は、レーザ光源１１０からの光を使用しているが、図１４に示すように、個別に専用の光源、専用の光学系を設けてもよい。
（第４の実施例）
図１４に示す顕微鏡本体１４００は、走査型レーザ顕微鏡に使用する光学系とは別に、画像取得に使用する光学系である光源１４０１、ハーフミラー１４０２、ＣＣＤカメラ１４０３を備えている。

光源１４０１から射出される光は、ハーフミラー１４０２を反射し、試料１３０に照射される。試料１３０を反射した反射光は、ハーフミラー１４０２を透過し、ＣＣＤカメラ１４０３に入射する。ＣＣＤカメラ１４０３は、入射した反射光を受光し画像化信号を生成する。そして、ＣＣＤカメラ１４０３は、画像化信号をコンピュータ２０３のへ出力する。

コンピュータ２０３は、ＣＣＤカメラ１４０３出力した画像化信号から観察画像（以下、「ＣＣＤ画像」という）を生成し、モニタ１０３に出力する。その結果、試料１３０の観察画像がモニタ１０３に表示されることとなる。

また、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡は、図１に説明したように、レーザ光源１１０から射出されるレーザ光を試料１３０に照射して得る観察画像（以下、「レーザ顕微鏡画像」という）も生成することができるので、モニタ１０３画面上に、例えば、画面を２分割して、ＣＣＤ画像とレーザ顕微鏡画像を同時に表示することが可能となる。

ここで、第１の実施例、第２の実施例及び第３の実施例で説明したように、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡は、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とに生じたずれを補正して、常に一致または略一致させるので、レーザ顕微鏡画像とＣＣＤ画像とを同時にモニタ１０３に表示した場合であっても、互いの画像にずれが生じることを防止することが可能となる。

レーザ顕微鏡画像とＣＣＤ画像とにずれが生じないので、補正をすることなく、両画像を重ねて１つの画像に合成することが可能となる。その結果、画像合成に失敗する等の無駄をなくすことが可能となる。

以上のように、走査型レーザ顕微鏡で生成した画像と、他の撮像用の光学系で生成した画像とを比較、合成するような場合でも、両画像にずれが生じないので、補正等をすることなく画像の観察・加工を行なうことが可能となる。

第１の実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡装置の構成例を示す図である。 第１の実施例に係る光学的位置検出部の構成例を示す図である。 第１の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。 第１の実施例に係るスキャナ同期信号の例を示す図である。 第１の実施例に係る電気的サンプリング回路の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。 第１の実施例に係る入力信号生成部および移相回路のデジタル回路で実現する場合の構成例を示す図である。 第２の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。 第２の実施例に係る光学的位置検出信号の例を示す図である。 第２の実施例に係る光学的位置検出信号とマスク信号を説明する図である。 第２の実施例に係る電気的サンプリング回路の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。 第３の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。 第３の実施例に係る走査期間を説明する図である。 第３の実施例に係る誤差信号発生部の動作を説明する図である。 第４の実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成例を示す図である。

符号の説明

１１４ ・・・ ２次元走査駆動制御回路
１１９ ・・・ 光学的位置検出部
３０１ ・・・ 入力信号生成部
３０２ ・・・ 移相回路
３０３ ・・・ 位置帰還部
３０４ ・・・ 絶対値回路部
３０５ ・・・ ＶＣＯ部
３０６ ・・・ カウンタ
３０７ ・・・ Ｄ／Ａコンバータ
３０８ ・・・ コンパレータ
３０９ ・・・ 位相比較器
３１０ ・・・ ループフィルタ
３１１ ・・・ 位相比較器
３１２ ・・・ 誤差信号発生部

Claims (4)

1. 試料に対して集束光を照射して得る反射光から観察画像を生成する走査型顕微鏡装置において、
   前記試料に対して照射する集束光を、該集束光の光路に直交する平面上に対して２次元的に走査させる２次元走査手段と、
   前記反射光を検出し、該検出した反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する光検出手段と、
   該画像検出信号を所定のサンプリングクロック信号に合わせてサンプリングし、前記試料の観察画像を生成する観察画像生成手段と、
   前記２次元走査手段が走査する前記集束光の位置であって、該２次元走査手段が行なう２次元走査範囲の中心位置である光学的走査位置を検出し、光学的走査位置信号を生成する光学的走査位置検出手段と、
   前記サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出し、電気的サンプリング位置信号を生成する電気的サンプリング位置検出手段とを含み、前記光学的走査位置信号と前記電気的サンプリング位置信号とが一致するように少なくとも１つの前記観察画像を生成する毎に１度だけ前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、
   を備えることを特徴とする走査型顕微鏡装置。
2. 前記光学的走査位置検出手段は、前記集束光の位置に配置されたピンホールを通過した光のみを検出することで２次元走査範囲の中心位置である前記光学的走査位置を検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
3. 前記２次元走査手段は、Ｘ方向走査用のスキャナとＹ方向走査用のスキャナからなり、
   前記サンプリングクロック信号の調整は、前記Ｙ方向走査用スキャナが、前記２次元走査範囲の走査終了位置から、前記２次元走査範囲の走査開始位置まで移動する帰線期間又は、前記２次元走査範囲であって、走査開始時と走査終了時とで画像を有効に取得できない画像無効期間に前記調整を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
4. 少なくとも１つ以上の撮像光学系をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。